在 “雙碳” 目標與水資源短缺的雙重挑戰下，水務行業正經歷從 “達標治理” 到 “高效低碳” 的關鍵轉型。好氧活性污泥法作為污水處理的核心工藝，其曝氣系統的效能直接決定了能耗水平、處理成本與水質達標率。然而，傳統設計依賴經驗公式與規范，常導致曝氣不均、能耗高企、污泥沉積等問題，難以滿足精細化運營需求。積鼎科技采用計算流體力學（CFD）技術，通過模擬流場分布、優化曝氣策略，幫助行業用戶精準診斷現有系統的流場缺陷，并通過多方案模擬實現曝氣效率與能耗的最優平衡，成為推動水務行業技術升級的核心引擎。

本文以某食品企業廢水處理項目為切入點，基于CFD仿真技術提出曝氣系統的若干設計方案，文中采用CFD仿真技術計算不同方案下的流場流態數據，并通過系統性比對進行分析，揭示傳統曝氣系統的三大痛點：低流速區域占比高、污泥沉積風險顯著、能量利用率不足，為設計最優的曝氣系統提出整改策略建議。

設計調整及CFD分析 

1.1 曝氣管布置和總曝氣量的調整

由于在目前6Nm3/h的總曝氣量下（單位有效池容接受的氣量為0.54Nm3/h），池內流速低于0.15m/s的區域非常多，故而優先的調整策略就是提高曝氣量。首先將總曝氣量提高到原來的3倍，即18Nm3/h。其次，將曝氣管的布置也做了調整，如圖1.1所示。

                     圖1.1 坐標位置（z=0對應曝氣管平面）和曝氣管的布置方式（上右舊、下新）

其中，在8根管的布置方案中，曝氣器的布置方式是這樣的：間距基于等比數列，比例系數為2。

圖1.2 8根曝氣管的布置位置圖

由于新版布置是在舊版的基礎之上分別去除了中間的4根和8根曝氣管，所以在總曝氣量不變的情況下，單位通氣量（單根曝氣管在單位時間內的曝氣量）將會分別提高到原來的1.33倍和2倍。這樣調整布置的目的，是希望能夠在池體中形成宏觀的兩個縱向大環流（如圖1.3所示），同時也能降低曝氣管的初期投資成本。

圖1.3 生化池內的環流示意

1.2 CFD數值模擬分析

首先看一下v=0.15m/s速度等值面圖：

圖1.4 v=0.15m/s速度等值面圖

從圖1.4可以看出：

（1）隨著曝氣量的提高，水在池內的流速也有了大幅度的提升，低流速區域的范圍有了顯著的降低。

（2）在曝氣總量相同的情況下，8根曝氣管的方案有著最少的低流速區域，含有12根曝氣管的方案次之，而有著16根曝氣管的方案反而最差，這在四個壁面附近體現得更為突出。

接著看一看池底部區域的速度云圖：

圖1.5 池體底部區域的速度云圖

如果池體內的空氣攪拌效果差，那么活性污泥會沉積在底部。若要將它們再次攪動起來，也勢必需要對池底區域輸入足夠的攪拌功率。從圖1.5中可以看出：

（1）當總曝氣量為6Nm3/h時，池底部區域是一個明顯的低速區，污泥極易沉積。當總曝氣量提升至18Nm3/h時，池底部區域的流速有了明顯的提升，污泥的沉積風險也將會得到大大的降低。

（2）當將曝氣管的數量從16根依次削減到12根、8根后，z=0.0m平面上的低速區的位置發生了變化，但面積肉眼看上去相仿。而在z=0.5m平面上，8根管的方案有著明顯最優、12根次之、16根最差。

接著看下四周池壁附近的速度云圖：

圖1.6四周池壁區域的速度云圖

從圖1.7中可以看出：

（1）在同樣的16根管的布置方案下，6Nm3/h和18Nm3/h差異并沒有十分顯著。

（2）但是調整布置方案后，流速就出現了大幅度提升，8根管方案的高速區域占比超過了2/3，而12根管和16根管的均不到1/2。

最后展示下速度矢量圖和湍動能匯總表：

                                  圖1.8 四個工況的速度矢量圖對比

                                  表1.1 不同水平截面上的平均湍動能值

從圖1.8可以看出，在16根管的布置方案下水流方向顯得非常雜亂無章，在宏觀上看沒有形成明顯的定向流動，流體微元更傾向于在一個局部區域內做小范圍脈動。而在8根管的布置方案下，兩個穩定且對稱的上下環流已具有雛形，每一個流體微元可以在短時內遍歷池內上下的大部分區域，其流場與機械攪拌機所形成的流場較為接近，如圖1.9所示。

圖1.9 機械攪拌機產出的流場

從表1.1中能看出，在16根管的布置方案下池體內的湍動能最高，在8根管下的最低。這說明了在16根管的布置方案下曝氣給池體輸入的能量更多用于形成局部的湍流脈動，而8根管下是宏觀的整體渦旋流動。

所以從CFD模擬計算結果可以得出：在池內總曝氣量相同的情況下，8根管方案的攪拌效果最佳，其次為12根管，最差的是16根管。

1.3 對常規曝氣器布置方案的思考

1.2節基于CFD流體模擬對不同曝氣器布置方案下的攪拌效果進行了深入的分析并得出結論：若單從攪拌效果來看，目前絕大多數的曝氣器布置方案——即在池中均勻布置曝氣器——有很大的優化空間。對于生化工藝采用MBBR的情形，如果曝氣器布置不合理，極易導致填料在局部堆積而抑制其效用的發揮。

基于環保行業的特殊屬性，在水處理工程項目的初期階段，EPC方和業主方（尤其是民營的）一般都對投資成本非常敏感：若能壓低投資成本，前者能提高項目的中標概率，后者能節約一筆設備投資費用，而根據1.2節中的調整策略，曝氣器的投資成本能縮減到原來的1/2。

當然，曝氣器的設計也要考慮其它因素。一般來說，池內曝氣總量的計算由如下公式來確定：

式中：“生化反應需氧量”的計算公式在上篇中已有展示；而“曝氣氧利用率”與曝氣器的形式（包括“射流”、“旋流”、“微孔”等）以及“單位通氣量”有關，這里的“單位通氣量”就是單個曝氣器在單位時間的曝氣量。當曝氣器的形式確定后，一般單位通氣量越大則氧利用率越低。因為單位通氣量增大后，氣泡的比表面積會減小，氣泡離開曝氣器的速度也會增大，導致氣液傳質接觸面積減小、氣泡在池內的停留時間縮短。如下是某進口膜片式微孔曝氣器在一定條件下的“氧利用率~單位通氣量關系圖”和“壓損~單位通氣量關系圖”：

通過對圖表數據的分析可知，以本研究為例，當單位通氣量由 2Nm3/(h?m) 提升至 4Nm3/(h?m)（實現翻倍增長）時，SSOTE（比標準氧轉移率）數值從 30 降至約 22，降幅約達 27%；同時，壓力損失從 37mbar 攀升至 43mbar，增長幅度為 16%。

值得留意的是，曝氣器廠商所提供的 SOTE 數據，是在脫氧清水環境及固定曝氣器布置方案下測定的。而實際工況中，良好的攪拌效果能夠加速氣液相界面的更新頻率，確保活性污泥在池體內均勻懸浮分布，從而有效提升活性污泥對水中溶解氧的攝取效率。因此，盡管在單位通氣量翻倍后，依據數據計算 SOTE 下降了 27%，但實際工況下活性污泥獲取的溶解氧量下降程度必然小于該計算值。

關于壓力損失的情況，從鼓風機的工作角度來看，其運行時需克服的阻力主要源于 “水深” 導致的曝氣阻力。在本次研究案例中，曝氣器安裝于水下 2m 位置，此處水壓約為 20000Pa。當單位通氣量為 2Nm3/(h?m) 時，鼓風機所需揚程為 23700Pa（暫不考慮氣體在輸氣管路中的壓力損耗）；當單位通氣量提升至 4Nm3/(h?m)，鼓風機所需揚程變為 24300Pa，揚程提升比例為 2.5%，相應地，鼓風機功率也僅增加 2.5%，增幅較為有限。

此外，還需考量污堵及設備使用壽命等因素。隨著單位通氣量的增大，污堵發生的概率會明顯降低，但由此引發的設備震動加劇，以及膜片式微孔曝氣器膜片所受撕扯力增強等問題，可能會因機械應力的影響而縮短曝氣器的使用壽命。

基于上述全面分析，作者制定了適用于本案例的曝氣方案評分表：

                                     表1.2 不同曝氣器布置方案評分表

注：在該案例中，每一種曝氣方案都能滿足生化反應對溶解氧的需求，但池中是投加了MBBR填料的，所以對攪拌的要求非常高。

基于CFD仿真技術揭示了傳統曝氣系統的三大痛點：低流速區域占比高、污泥沉積風險顯著、能量利用率不足。通過對比16管、12管、8管三種曝氣方案發現：

● 流場優化：總曝氣量提升至 18Nm3/h 后，8管非均勻布置方案形成穩定雙環流，池內高速區域占比超 2/3，壁面與底部低速區縮減60%以上，攪拌效果顯著優于傳統均勻布管。

● 能耗平衡：盡管單位通氣量增加導致氧利用率下降27%，但 CFD 模擬顯示，良好的攪拌效果使實際溶氧利用率降幅小于理論值，且鼓風機揚程僅增加 2.5%，實現 “能耗微增、效率躍升”。

● 成本優勢：曝氣管數量從16根減至8根，初期投資成本降低 50%，結合污堵風險下降與填料均勻懸浮效果，綜合效益提升顯著。

CFD引領行業從“經驗驅動”到“科學設計”

對水務行業而言，CFD 的價值不僅在于解決單一項目的曝氣難題，更在于推動設計思維的迭代更新：當化工、能源領域早已通過模擬軟件實現 “理論-仿真-工程” 閉環時，環保行業也需要以CFD為橋梁，打通流體力學、傳質傳熱等基礎理論與工程實踐的鴻溝。尤其在 MBBR、AO等復雜工藝中，通過CFD精準預測填料分布、污泥停留時間等關鍵參數，為智慧水務的精準調控提供底層支撐。